Optimal replacement policy for a periodically inspected system subject to the competing soft and sudden failures

• Autorzy: Tang D. , Yu J.

Warianty tytułu

PL

Optymalna polityka wymiany do zastosowania w systemach poddawanych przeglądom okresowymnarażonych na konkurujące uszkodzenia parametryczne i nagłe

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper analyzes a replacement problem for a continuously degrading system which is periodically inspected and subject to the competing risk of soft and sudden failures. The system should be correctively replaced by a new one upon failure, or it could be preventively replaced before failure due to safety and economic considerations. Dependent soft and sudden failures are considered. The degradation process of the system observed by inspections exhibits a monotone increasing pattern and is described by a gamma process. The failure rate of the sudden failure is characterized by its dependency on the system age and the degradation state. By formulating the optimization problem in a semi-Markov decision process framework, the specific form of the optimal replacement policy which minimizes the long-run expected average cost per unit time is found, considering a cost structure that includes the cost for inspections, the cost for preventive replacement, and the costs for different failure modes. The corresponding computational algorithm to obtain the optimal replacement policy is also developed. A real data set is utilized to illustrate the application of the optimal replacement policy.

PL

W artykule przeanalizowano problem wymiany dotyczący poddawanego przeglądom okresowym systemu ulegającego ciągłej degradacji i narażonego na konkurujące zagrożenie uszkodzeniami parametrycznymi i nagłymi. System taki powinien zostać wymieniony na nowy w ramach konserwacji korygującej w przypadku wystąpienia uszkodzenia lub też, ze względów bezpieczeństwa i względów ekonomicznych, można dokonać wymiany profilaktycznej jeszcze przed wystąpieniem uszkodzenia. W artykule rozważono przypadek zależnych od siebie uszkodzeń parametrycznych i nagłych. Proces degradacji systemu obserwowany podczas przeglądów ma charakter monotonicznie rosnący i można go opisać za pomocą procesu gamma. Intensywność uszkodzeń nagłych zależy od wieku systemu i jego stanu degradacji. Formułując problem optymalizacyjny w ramach semi-markowskiego procesu decyzyjnego, można określić formę optymalnej polityki wymiany, która minimalizowałaby długookresowy średni koszt na jednostkę czasu, z uwzględnieniem struktury kosztów, która obejmuje koszty przeglądów, koszty wymiany profilaktycznej oraz koszty różnych przyczyn uszkodzeń. Opracowano odpowiedni algorytm obliczeniowy umożliwiający ustalenie optymalnej polityki wymiany. Zastosowanie proponowanej optymalnej polityki wymiany zilustrowano na przykładzie zbioru rzeczywistych danych.

Słowa kluczowe

EN

condition-based maintenance; periodic inspections; competing risk; soft failure; sudden failure

PL

utrzymanie ruchu zależne od stanu technicznego urządzeń; przegląd okresowy; zagrożenie konkurujące; uszkodzenie parametryczne; uszkodzenie nagłe

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 17, no. 2
• Strony: 228--235
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys.

Twórcy

autor

Tang D.

• School of Automation Science and Electrical Engineering Beihang University No. 37 Xueyuan Road, Haidian District Beijing, China, 100191 Collaborative Innovation Center of Advanced Aero-Engine Beijing, China, 100191

autor

Yu J.

• School of Automation Science and Electrical Engineering Beihang University No. 37 Xueyuan Road, Haidian District Beijing, China, 100191 Collaborative Innovation Center of Advanced Aero-Engine Beijing, China, 100191

Bibliografia

• 1. Besnard F, Bertling L. An approach for condition-based maintenance optimization applied to wind turbine blades. IEEE Transactions on Sustainable Energy 2010; 1(2): 77-83, http://dx.doi.org/10.1109/TSTE.2010.2049452.
• 2. Bocchetti D, Giorgio M, Guida M, Pulcini G. A competing risk model for the reliability of cylinder liners in marine diesel engines. Reliability Engineering & System Safety 2009; 94(8): 1299-1307, http://dx.doi.org/10.1016/j.ress.2009.01.010.
• 3. Castro IT, Caballé NC, Pérez CJ. A condition-based maintenance for a system subject to multiple degradation processes and external shocks. International Journal of Systems Science 2013; ahead-of-print: 1-13, http://dx.doi.org/10.1080/00207721.2013.828796.
• 4. Coats D, Cho K, Shin YJ, Goodman N, Blechertas V, Bayoumi AE. Advanced time-frequency mutual information measures for condition based maintenance of helicopter drive trains. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 2004; 60(8): 2984-2994, http://dx.doi.org/10.1109/TIM.2011.2122370.
• 5. Cox DR, Oakes D. Analysis of survival data. Chapman and Hall; 1984.
• 6. Elwany AH, Gebraeel NZ, Maillart LM. Structured replacement policies for components with complex degradation processes and dedicated sensors. Operations research 2011; 59(3): 684-695, http://dx.doi.org/10.1287/opre.1110.0912.
• 7. Grall A, Bérenguer C, and Dieulle L. A condition-based maintenance policy for stochastically deteriorating systems. Reliability Engineering & System Safety 2002; 76(2): 167-180, http://dx.doi.org/10.1016/S0951-8320(01)00148-X.
• 8. Huang W, Askin RG. Reliability analysis of electronic devices with multiple competing failure modes involving performance aging degradation. Quality and Reliability Engineering International 2003; 19(3): 241-254, http://dx.doi.org/10.1002/qre.524.
• 9. Huynh KT, Barros A, Bérenguer C, Castro IT. A periodic inspection and replacement policy for systems subject to competing failure modes due to degradation and traumatic events. Reliability Engineering & System Safety 2011; 96(4): 497-508, http://dx.doi.org/10.1016/j.ress.2010.12.018.
• 10. Huynh KT, Castro IT, Barros A, Bérenguer C. On the use of mean residual life as a condition index for condition-based maintenance decision making. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems 2014; 44(7): 877-893, http://dx.doi.org/10.1109/TSMC.2013.2290772.
• 11. Jiang R, Yu J, Makis V. Optimal Bayesian estimation and control scheme for gear shaft fault detection. Computers & Industrial Engineering 2012; 63(4): 754-762, http://dx.doi.org/10.1016/j.cie.2012.04.015.
• 12. Kim MJ, Jiang R, Makis V, Lee CG. Optimal Bayesian fault prediction scheme for a partially observable system subject to random failure. European Journal of Operational Research 2011; 214(2): 331-339, http://dx.doi.org/10.1016/j.ejor.2011.04.023.
• 13. Liao H, Elsayed EA, Chan LY. Maintenance of continuously monitored degrading systems. European Journal of Operational Research 2006; 175(2): 821-835, http://dx.doi.org/10.1016/j.ejor.2005.05.017.
• 14. Lin D, Wiseman M, Banjevic D, Jardine, AK. An approach to signal processing and condition-based maintenance for gearboxes subject to tooth failure. Mechanical Systems and Signal Processing 2004; 18(5): 993-1007, http://dx.doi.org/10.1016/j.ymssp.2003.10.005.
• 15. Liu X, Li J, Al-Khalifa KN, Hamouda AS, Coit DW, and Elsayed E A. Condition-based maintenance for continuously monitored degrading systems with multiple failure modes. IIE Transactions 2013; 45(4): 422-435, http://dx.doi.org/10.1080/0740817X.2012.690930.
• 16. Meeker WQ, Escobar LA. Statistical methods for reliability data. John Wiley & Sons; 1998.
• 17. Tijms HC. Stochastic models: an algorithmic approach. John Wiley & Sons; 1994.
• 18. van Noortwijk JM. A survey of the application of gamma processes in maintenance. Reliability Engineering & System Safety 2009; 94(1): 2-21, http://dx.doi.org/10.1016/j.ress.2007.03.019.
• 19. Wang WB. A model to determine the optimal critical level and the monitoring intervals in condition-based maintenance. International Journal of Production Research 2000; 38(6): 1425-1436, http://dx.doi.org/10.1080/002075400188933.
• 20. Zhu Y, Elsayed EA, Liao H, Chan LY. Availability optimization of systems subject to competing risk. European Journal of Operational Research 2010; 202(3): 781-788, http://dx.doi.org/10.1016/j.ejor.2009.06.008.
• 21. Ye ZS, Xie M, Tang LC, Shen Y. Degradation-based burn-in planning under competing risks. Technometrics 2012; 54(2): 159-168, http://dx.doi.org/10.1080/00401706.2012.676946.